CN105157607B - 三维扫描装置及其扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维扫描装置及其扫描方法，所述扫描装置包括立柱、控制箱、扫描架和上位机；其中，所述扫描架包括活动安装在立柱上的支架，均匀安装在支架上的若干个扫描头，以及安装在支架上的电源模块和交换机，所述支架为环形或多边形，所述扫描头顶部设有摄像头，摄像头正对支架中心，所述摄像头与图像处理模块相连，图像处理模块通过交换机与控制箱连接，电源模块为扫描头供电；所述立柱上设有丝杆，丝杆与支架联动连接，并通过电机驱动，控制箱控制电机转动，进而驱动丝杆旋转，带动支架上升或下降；上述结构的三维扫描装置具有扫描速度快，精度高，且操作简单等特点。

Description

三维扫描装置及其扫描方法

技术领域

本发明涉及一种三维扫描装置及其扫描方法，属于自动扫描技术领域。

背景技术

三维立体扫描就是测量实物表面的三维坐标点集，得到的大量坐标点的集合称为点云（Point Cloud)。目前，三维光学扫描仪根据其原理不同主要分为2类，一类是“照相式”，一类是 “激光式”，两者都是非接触式，其中，“激光式”扫描仪属于较早的产品，由扫描仪发出一束激光光带，光带照射到被测物体上并在被测物体上移动时，就可以采集出物体的实际形状，“激光式”扫描仪一般要配备关节臂。“照相式”扫描仪是针对工业产品涉及领域的新一代扫描仪，其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云。目前，市面上常见的三维扫描装置普遍存在如下缺陷：扫描速度慢，一般完成一次全身扫描需要数分钟，而且扫描精度低，且操作不方便。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种三维扫描装置及其扫描方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种扫描速度快，精度高，且操作简单的三维扫描装置及其扫描方法。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

三维扫描装置，包括立柱、控制箱、扫描架和上位机；其中，所述扫描架包括活动安装在立柱上的支架，均匀安装在支架上的若干个扫描头，以及安装在支架上的电源模块和交换机，所述支架为环形或多边形，所述扫描头顶部设有摄像头，摄像头正对支架中心，所述摄像头与图像处理模块相连，图像处理模块通过交换机与控制箱连接，电源模块为扫描头供电；所述立柱上设有丝杆，丝杆与支架联动连接，并通过电机驱动，控制箱控制电机转动，进而驱动丝杆旋转，带动支架上升或下降；所述控制箱与上位机相连。

作为优选，所述三维扫描装置包括2个以上立柱，立柱内侧设有安装槽，所述丝杆垂直设置在安装槽内，支架通过连接件与丝杆联动连接，丝杆顶部和底部均设有限位开关，用于控制扫描架的行程，电机安装在立柱顶部。

作为优选，所述支架与立柱的连接端进一步设有滑块，所述滑块滑动安装的立柱上。滑块的设置，可以使扫描架上升/下降过程更加平稳。

作为优选，所述三维扫描装置的其中一个立柱上设有线槽，用于安装交换机与控制箱的信号线，以及电源模块与外部电源的连接电线。

作为优选，所述支架设有上下两层，分别为底圈和顶圈，其中，底圈上的扫描头个数大于顶圈上的个数。

作为优选，所述底圈上均匀设有8个以上摄像头，顶圈上均匀设有4个以上扫描头。

作为优选，所述底圈上均匀设有36个摄像头，顶圈上均匀设有12个扫描头。

作为优选，所述底圈上摄像头水平安装，所述顶圈上的摄像头倾斜安装，一般向下倾斜20~45°。

作为优选，所述摄像头通过连接臂安装在支架上，图像处理模块固定安装在连接杆上。

上述三维扫描装置的扫描方法，包括如下步骤：

1）通过上位机输入扫描指令，控制箱根据此命令解释成相应时序信号直接控制电机动作，先将扫描架运行到最底端，然后再将扫描架运行到最顶端，完成扫描前初始化工作；

2）上位机根据扫描物/人的高度，将扫描架运行到扫描物/人的顶部，同时通过交换机和图像处理模块控制摄像头开始拍照；

3）扫描架匀速下降，各个摄像头根据设定的时间间隔进行间歇性拍照；

4）各个摄像头将扫描到的图像数据经过图像处理模块处理后，通过交换机发送给控制箱，并在上位机的显示器中进行实时显示；

5）当扫描架下降到立柱底部，触动限位开关时，控制箱控制电机停止工作，摄像头暂停拍摄，三维扫描结束，此时，所有扫描数据已通过交换机依次发送给控制箱和上位机，上机机根据采集到的数据进行三维模型合成。

本发明所述的三维扫描装置及其扫描方法，具有如下优点：

1、扫描速度快：5秒可以完成一次半身扫描，20秒可完成一次全身扫描；

2、精度高：扫描架采用上下两层，数十个摄像头同时进行图像采集，并由上位机合成模型，合成后的三维模型精度可达到1mm；

3、操作简单：只需要在上位机中设置好相关扫描指令，扫描架会自动完成扫描，并将相应的扫描数据实时发送给上位机，进行三维模型合成。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本实施例的三维扫描装置立体结构示意图（扫描架位于底部）；

图2为本实施例的立柱和扫描架的俯视图；

图3为本实施例的三维扫描装置立体结构示意图（扫描状态）；

标号说明：

立柱1、底板11、安装槽12、丝杆13、电机14、滑块15、线槽16

控制箱2

扫描架3、支架31、底圈311、顶圈312、扫描头32、连接臂321、摄像头322、图像处理模块323、电源模块33、交换机34

上位机4。

具体实施方式

如图1-3所示，三维扫描装置，包括立柱1、控制箱2、扫描架3和上位机4；其中，所述扫描架3包括活动安装在立柱1上的支架31，均匀安装在支架31上的若干个扫描头32，以及安装在支架31上的电源模块33和交换机34，所述支架31为环形或多边形，为实现全方面扫描，支架31设有上下两层，分别为底圈311和顶圈312，底圈311和顶圈312均安装有扫描头32，所述扫描头32包括连接臂321，所述连接臂321尾部安装在支架31上，顶部设有摄像头322，摄像头322正对支架31中心。其中，底圈311上摄像头322为水平安装，用于水平扫描位于支架31中心的人或物，顶圈312上的摄像头322向下倾斜安装，用于扫描位于支架31中心人或物的顶部，一般向下倾斜20-45°。底圈311上的扫描头3个数大于顶圈312上的个数。一般底圈311上至少均匀设置8个不同方位的扫描头32，顶圈312上至少均匀设有4个不同方位的的扫描头32。在本实施例中，所述底圈311上均匀设有36个扫描头32，顶圈312上均匀设有12个扫描头32，扫描头32的分布越密集，所扫描的图像越详尽。每个摄像头322均连接有一个图像处理模块323，所述图像处理模块323固定安装在连接臂321上，通过信号线一端与摄像头322相连，另一端连接交换机34和电源模块33，因为交换机34的接口数量限制，一台三维扫描装置需要多个交换机34，用于连接数十个扫描头32，电源模块33也是如此，需要多个电源模块33才能满足供电要求。 图像处理模块323通过交换机34与控制箱2连接，电源模块33为摄像头322、图像处理模块323和交换机34供电。

所述三维扫描装置包括2个以上立柱1，在本实施例中，采用3个立柱1均匀设置，用于支承扫描架3，为使立柱1更稳固，其底部设有底板11，增大立柱1与地面的接触面。立柱1内侧设有安装槽12，丝杆13垂直设置在安装槽12内，支架31通过连接件与丝杆13联动连接，丝杆13顶部和底部均设有限位开关，用于控制扫描架3的行程，电机14安装在立柱1顶部。控制箱2控制电机14转动，进而驱动丝杆13旋转，带动支架31上升或下降，所述控制箱2与上位机4相连。所述支架31与立柱1的连接端进一步设有滑块15，所述滑块15滑动安装的立柱1上。滑块15的设置，可以使扫描架3上升/下降过程更加平稳。

所述三维扫描装置的其中一个立柱1上设有线槽16，用于安装交换机34与控制箱2的信号线，以及电源模块33与外部电源的连接电线。

上述三维扫描装置的扫描方法，包括如下步骤：

1）通过上位机4输入扫描指令，控制箱2根据此命令解释成相应时序信号直接控制电机14动作：先将扫描架3运行到立柱1的最底端，触碰到限位开关后，再将扫描架3运行到立柱1的最顶端，完成扫描前初始化工作，保证扫描架3在扫描时各项运动正常完成；

2）上位机4根据扫描物/人的高度，将扫描架3运行到扫描物/人的顶部，同时通过交换机34和图像处理模块323控制摄像头322开始拍照；

3）上位机4控制扫描架3匀速下降，各个摄像头322根据设定的时间间隔进行间歇性拍照，一般扫描175CM高的人物时，整个过程，进行5-6次拍照，也可以根据需求调整拍照次数，一般等距离/等时间内拍照次数越多（即拍照频率高），扫描精度越高；

4）各个摄像头322将扫描到的图像数据经过图像处理模块323处理后，通过交换机34发送给控制箱2，并在上位机4的显示器中进行实时显示；

5）当扫描架3下降到立柱1底部，触动丝杆13底部的限位开关时，控制箱2控制电机14停止工作，摄像头322暂停拍摄，三维扫描结束，此时，所有扫描数据已通过交换机34依次发送给控制箱2和上位机4。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (8)

1.三维扫描装置，其特征在于：包括立柱、控制箱、扫描架和上位机；其中，所述扫描架包括活动安装在立柱上的支架，均匀安装在支架上的若干个扫描头，以及安装在支架上的电源模块和交换机，所述支架为环形或多边形，所述扫描头顶部设有摄像头，摄像头正对支架中心，所述摄像头与图像处理模块相连，图像处理模块通过交换机与控制箱连接，电源模块为扫描头供电；所述立柱上设有丝杆，丝杆与支架联动连接，并通过电机驱动，控制箱控制电机转动，进而驱动丝杆旋转，带动支架上升或下降；所述控制箱与上位机相连；所述支架设有上下两层，分别为底圈和顶圈，其中，底圈上的扫描头个数大于顶圈上的个数；上述三维扫描装置的扫描方法，包括如下步骤：

1）通过上位机输入扫描指令，控制箱根据此命令解释成相应时序信号直接控制电机动作，2）先将扫描架运行到最底端，然后再将扫描架运行到最顶端，完成扫描前初始化工作；

上位机根据扫描物/人的高度，将扫描架运行到扫描物/人的顶部，同时通过交换机和图像处理模块控制摄像头开始拍照；

3）扫描架匀速下降，各个摄像头根据设定的时间间隔进行间歇性拍照；

4）各个摄像头将扫描到的图像数据经过图像处理模块处理后，通过交换机发送给控制箱，并在上位机的显示器中进行实时显示；

5）当扫描架下降到立柱底部，触动限位开关时，控制箱控制电机停止工作，摄像头暂停拍摄，三维扫描结束，此时，所有扫描数据已通过交换机依次发送给控制箱和上位机，上机机根据采集到的数据进行三维模型合成。

2.如权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于：所述三维扫描装置包括2个以上立柱，立柱内侧设有安装槽，所述丝杆垂直设置在安装槽内，支架通过连接件与丝杆联动连接，丝杆顶部和底部均设有限位开关，用于控制扫描架的行程，电机安装在立柱顶部。

3.如权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于：所述支架与立柱的连接端进一步设有滑块，所述滑块滑动安装的立柱上。

4.如权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于：所述三维扫描装置的其中一个立柱上设有线槽，用于安装交换机与控制箱的信号线，以及电源模块与外部电源的连接电线。

5.如权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于：所述底圈上均匀设有8个以上摄像头，顶圈上均匀设有4个以上扫描头。

6.如权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于：所述底圈上均匀设有36个摄像头，顶圈上均匀设有12个扫描头。

7.如权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于：所述底圈上摄像头水平安装，所述顶圈上的摄像头倾斜安装，向下倾斜角度为20~45°。

8.如权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于：所述摄像头通过连接臂安装在支架上，图像处理模块固定安装在连接杆上。